化学交换饱和转移（chemical exchange saturation transfer, CEST）是一种新型的磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI）对比机制，因其具有无创伤、高分辨率以及可以检测随体内变化的参数等优点，在生物医学领域迅速引起了广泛的探索研究^[1,2]。最常用的CEST对比实验是利用特定的偏共振饱和脉冲，对特定物质进行充分的预饱和，这种饱和通过化学交换影响自由水的信号强度，通过检测水信号，间接反映物质信息以及化学交换的组织环境。图1显示了在双池交换模型下CEST放大信号的原理^[3]，小池S是溶质质子池，大池W是水池，在S池溶质可交换质子（一般是H质子）共振频率处施加一个射频饱和脉冲，溶质池中的H质子与水池中的H质子进行交换，交换速率分别是Ksw与Kws，达到饱和平衡后，水的共振峰信号降低，通过水信号的变化间接获得了交换质子的信息。由于人体内自由水的含量很大，所以饱和效应不断累积，使累积的水信号达到能够观察的量级，所以CEST起到放大器的作用。但是射频饱和脉冲的应用会导致其他水信号的损失，如磁化转移对比（magnetization transfer contrast, MTC) ^[4]、直接水饱和（direct saturation, DS)^[5]等。为了分析信号损失来源，需要绘制水信号饱和强度归一化曲线，作为饱和偏移量函数，称为Z谱或CEST谱^[6]。为了移除MTC和DS等对CEST信号的干扰，文章系统通过计算可交换质子在共振频率处的不对称磁化转移率（magnetization transfer ratio, MTRasym)：MTRasym=[S(-Δω）-S (+Δω)]/S0。

       CEST数据处理过程繁琐耗时，是一个亟待解决的问题。选取CEST图像感兴趣区域（region of interested, ROI）拟合其Z谱，通过分析Z谱，能够分析水信号损失来源并提取相关生物医学信息，但是目前ROI的选取是广泛使用该技术的重要挑战。文章系统实现定制选取以鼠标指定点为中心的、任意大小的多个ROI，然后拟合其Z谱。以传统CEST成像方法得到的仿体数据为例，提供两种选取ROI的方法，一种方法是半自动法，可以随意选取ROI个数，且位置大小可调，这种方法在CEST对比研究中实用性很强，使用广泛。另外一种方法是选取不同像素大小的ROI，例如2×2，3×3像素，在进行定量分析时使用最多。该系统不仅方便CEST数据处理，提供了两种选取ROI的方法，对特定医学图像使用，而且拟合展示了不同ROI的Z谱，为CEST在临床上的应用可提供一定的便利。MATLAB集数学计算、可视化和可编程功能于一体，用它来做这样的拟合展示工作，将使这项工作更加简便。

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图1  CEST增强原理
图2  传统CEST成像方法序列
图3  系统界面
图4  系统的功能结构
图5  仿真过程中的3个瞬时图。A：归一化图像；B：去噪后图像；C ：MTRasym映射
Fig. 1  CEST enhancement principle
Fig. 2  Sequence of traditional CEST imaging method
Fig. 3  System interface
Fig. 4  Functional structure of the system
Fig. 5  Three instantaneous graphs in the simulation. A: Import data normalized image; B: Post noise image; C: MTRasym metry after normalized contrast mapping.

1　材料与方法

1.1　实验数据

       图2说明了传统CEST方法的成像序列，在11.7 T磁共振扫描仪扫描，B1=3.6 uT，采集矩阵大小为64×64，视野FOV=12 mm×11.5 mm，饱和时间为2.4 s，TR/TE=6 s/3.4 ms，Z谱获取范围是-10～10 ppm，步长为0.2 ppm，水膜的配料为肌醇(Myo-inositol)、左精氨酸（L-Arginine)、巴比妥酸(barbituric acid，BA)，都混合2％的琼脂（Agar)，模仿体内CEST、DS和MT信号损失；两个对照管为在磷酸盐缓冲液中加2％的Agar和BA。

1.2　MATLAB制作分析系统

       图3是系统的用户界面，界面分左边图形显示窗口和右边功能按钮及左上角的菜单栏三部分。具有导入数据归一化、阈值去噪、不对称量化形成MTRasym映射、选取ROI以及拟合Z谱等功能。在界面的左边显示出每一步的结果，结果通过保存按钮保存，保存按钮分为图片保存和数据保存，系统通过退出按钮退出。导入数据选择要处理的层，调用Bruker Open函数打开数据，然后通过拟合归一化水信号(Ssat/S0）寻找偏移量对应的最强水饱和度，形成B0映射，然后通过样条插值与感兴趣的偏移量对应。阈值去噪是通过使用先验确定的信噪比映射过滤掉SNR低于35的像素及背景区域。MTRasym映射是去噪后经过不对称MTRasym量化得到，使用不对称MTRasym量化可以去除MT和核奥氏效应(nuclear overhauser effect, NOE)等对CEST信号的影响。ROI的选取在临床上非常重要，可以帮助临床医生正确判断肿瘤位置，文章通过两种方法选取ROI，一种方法是半自动选取，ROI的大小和位置可调，另外一种方法是选取不同像素大小ROI。最后拟合Z谱，定量分析不同ROI反应的生物学信息。Z谱的绘制是通过不同偏置频率的图像除以预饱和脉冲的图像，计算其平均信号强度，以偏置频率为横坐标，信号强度为纵坐标，经过光滑曲线拟合得到，同时左边减去右边得到MTRasym谱，点击按钮Save Data，把数据保存到Excel进行分析。

1.3　系统的功能结构（图4)

2　实验与结果分析

       系统ROI个数可以任意选取，以n=3为例，图5为仿真程序运行过程中的3个瞬时画面。图5A是归一化图像，图5B是阈值去噪后的图像，图5C是得到的MTRasym映射。由CEST原理知，CEST信号相对于水的共振频率两边不对称，假设MTC、DS及NOE等相对于水的共振频率对称，为了分开CEST与MTC和DS及NOE，使用不对称性进行量化MTRasym，左边减去右边去掉了对称成分，留下不对称的CEST成分。图5C可看到有一些阴影，这是因为MTC和NOE等可能有不对称成分影响CEST信号检测，复杂化了不对称性分析，图中的阴影即是没有被去掉的MTC和NOE等不对称分量或者是溶质浓度较低的CEST信号。

2.1　不同位置ROI的Z谱展示

       绘制选取不同位置ROI后得到的Z谱见图6，其中ROI选取是第一种半自动方法，ROI的位置、大小均可调节。图6A~C是分别选取不同ROI的位置，大小相同。图6D~F分别是其对应拟合得到的Z谱，横坐标是饱和偏移量，单位是ppm，纵坐标是MTRasym值。从图6D可以看出图6A选取的3个ROI都具有CEST效应，ROI1和ROI2区域的可交换质子共振频谱大于在3.5 ppm处，ROI3处的可交换质子的共振频谱大概在3.5 ppm，且ROI1和ROI2处MTRasym值比ROI3的值要高，CEST对比效应要好。图6E是变动了ROI3的位置，绘制Z谱，得到ROI3的Z谱，不具有不对称性，MTRasym几乎是0，这是因为ROI3所在区域不具有CEST效应，不是CEST信号，可能来自MTC或者DS等其他MT形式。图6F是3个ROI位置都改变后绘制得到的Z谱，可以看出3条拟合线都不具有不对称性，且MTRasym都是0，都不具有CEST效应，Z谱信号主要来自DS。上述过程中的Z谱数据均保存到Excel，用来定量分析比较水信号。所以根据分析Z谱，可以分析水信号损失来源，提取相关生物学信息。该ROI选取方法使用性很强，但是只针对特定医学图像，对于肿瘤等数据该方法存在误差，且必须需要有经验的研究者或临床医生选取才能进行实验研究，阻碍了该技术的广泛应用，目前实验室项目组正在努力寻求一种全自动的选取方法。

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图6  相应选取的ROI位置及所对应的Z谱。A~C分别是选取的ROI位置；D~F分别是其对应的Z谱
图7  选取相同像素ROI拟合Z谱。A~C ROI像素分别为2×2，3×3，8×8；D~F分别是其对应的Z谱
图8  相同像素值不同位置ROI的Z频谱拟合。A、B分别为像素值为3×3，改变ROI2的位置；C、D分别为对应的Z谱
Fig. 6  The selecting of ROI position and the corresponding Z spectrum. A—C: The selection of ROI; D—F: Its corresponding of Z spectrum
Fig. 7  Fitting the same pixel values of ROI’s Z spectrum. A—C: The pixel values for the ROIs are 2×2, 3×3, 8×8. D—F: Its corresponding of Z spectrum.
Fig. 8  Fitting of the same pixel values but different position ROI’s Z spectrum. A, B: ROI1 and ROI3 pixel value is 3×3 in the same position and change the location of ROI2; C, D: Its corresponding of Z spectrum.

2.2　不同像素大小ROI的Z谱展示

       图7是不同像素大小ROI的Z谱展示，ROI的选取使用第二种方法，以鼠标指定点为中心，选取相同像素不同数目的ROI ，ROI位置都在CEST特性区域内。图7A~C中3个ROI分别是2×2，3×3，8×8像素大小。图7D~F分别是其对应的Z谱，从图中可以看出随着像素大小的增加，MTRasym值会减小，CEST不对称性降低。原因是随着ROI像素变大，所选范围会超出CEST造影区域，受到其他信号的干扰，以致MTRasym降低。所以在进行定量分析时，ROI选取一定要准确，不然会导致相关生物学信息的错误判断，尤其是肿瘤信息的正确判断。

2.3　相同像素改变ROI位置展示Z谱（改变ROI2位置)

       图8是ROI的像素大小相同，只改变ROI2的位置后展示其Z谱并进行比较。图8C中ROI2的Z谱MTRasym几乎都是0，是因为选取的ROI2既不在CEST造影区域，也不在MT的其中一种方式区域内，所以几乎与横坐标重合。图8D中ROI2的Z谱MTR值最高点接近1，共振频率在大于3.5 ppm处，不对称性明显，CEST信号受其他信号影响较小。

3　讨论

       CEST作为一种新型的分子成像技术，具有很大的临床应用前景。目前已广泛应用于脑肿瘤病理学分级、鉴别肿瘤复发、表针记性缺血、检测药物递送以及观测pH值和代谢物浓度变化等方面中^{[7,8,9,10,11]}。虽然CEST中Z谱的不对称量化分析会受到MTC、NOE等影响，近年来研究者也相应的提出一些方法，如Bloch方程拟合^[12,13]、洛伦兹线性拟合^[14]及新的成像采集方案^[15]，但是尚不存在一种通用的方法，不对称MTRasym量化依然是使用最广泛的方法。

       文章系统借助工程计算软件MATLAB制作用户图形界面和编写应用程序，成功实现了CEST中不同大小、不同位置、不同像素的ROI的Z谱展示，通过比较，可以很好地理解CEST原理及分析水信号损失来源，方便临床医生和研究者提取相关生物学信息。文章程序在MATLAB 2013. b版中调试通过。